Исследование процессов электронагрева токами высокой частоты в магнитном поле

Введение. Основные принципы технологии термической обработки стали в магнитном поле (ТОМП) изложены в монографии [1], эта технология позволяет получать такие структурные состояния и свойства, которые невозможно достичь при обычных режимах. Одной из особенностей ТОМП является ее целесообразность при поштучной обработке изделий [2], например, с применением в виде источника нагрева токов высокой частоты (ТВЧ) [3].

Поскольку при нагреве ТВЧ с высокими скоростями могут наблюдаться более ощутимые эффекты упрочнения, чем при применении машинных генераторов, было бы целесообразно проводить закалку при более высоких частотах, но повышение частоты генератора влечет за собой снижение глубины проникновения вихревых токов и большую неравномерность прогрева по сечению. Теоретические и практические аспекты нагрева металлических изделий ТВЧ довольно хорошо представлены в [4][5]. Однако сведений об изменениях, происходящих с индукционным высокоскоростным нагревом при наложении внешнего постоянного магнитного поля, особенно в контексте протекающих фазовых превращений в сталях, на сегодняшний день недостаточно.

Опытным путем получены качественные данные [4] о том, что наложение постоянного внешнего магнитного поля при закалке ТВЧ может приводить к увеличению глубины проникновения вихревых токов, что, в свою очередь, повышает равномерность прогрева на этапе первого квазистационарного процесса электронагрева [6]. Наиболее целесообразным с технологической точки зрения является применение этого явления при скоростном электроотпуске [7][8], так как существует проблема недостаточной глубины прогрева ТВЧ ферромагнитного закаленного слоя, что делает необходимым использование для нагрева под отпуск другого генератора, работающего на более низкой частоте. В настоящий момент количественных оценок влияния внешнего магнитного поля на изменение кинетики электронагрева и глубины проникновения вихревых токов нет.

В связи с вышесказанным авторами данного исследования поставлена цель изучить изменения в кинетике нагрева ТВЧ железоуглеродистых сплавов при наложении внешнего постоянного магнитного поля и на основе полученных результатов рассмотреть возможности их технологического применения.

Материалы и методы. Теоретическая оценка влияния внешнего магнитного поля на изменение кинетики электронагрева и глубины проникновения вихревых токов дана на основе общей теории кинетики индукционного нагрева [9][10]. Уравнение теплопроводности в случае нагрева стали до температуры магнитных превращений в поверхностном слое используется с введением безразмерных величин времени (критерий Фурье ), температуры (критерий Кирпичева ), без учёта переходного процесса перераспределения мощности (P) и имеет вид:

(1)

где R — радиус цилиндрического образца.

где δ — глубина проникновения вихревых токов; μ — относительная магнитная проницаемость материала; μ₀ — магнитная проницаемость воздуха; f — частота тока; ρ — удельное электрическое сопротивление материала; λ — коэффициент теплопроводности; α — коэффициент температуропроводности; T(x, τ) — температура в функции времени (τ) и расстояния от поверхности (x); T₀ — начальная температура.

Экспериментальное изучение влияния магнитного поля на кинетику нагрева ТВЧ производилось на образцах из стали 45, перлитного серого (СЧ30) и ферритного ковкого чугуна (КЧ30-6). Показания термопары от поверхностного слоя фиксировались с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) L-CARD E14-440 (разрядность — 14 бит, частота преобразования — до 400 кГц). Использовались сплошные цилиндрические образцы Æ 0,8 мм различных материалов, а также полые образцы из стали 45 с толщиной стенки в 1 и 2 мм.

Исследование распределения температуры по сечению ферромагнитного материала при индукционном нагреве во внешнем магнитном поле осуществлялось на специальных образцах (рис. 1) из технического железа, стали 45 и серого перлитного чугуна СЧ30. Как видно на рис. 1, на таком образце контроль температур осуществлялся в шести точках, расположенных на удалении от края на 1, 3, 5, 7, 9, 11 мм. В каждом из отверстий Æ 0,6 мм устанавливалась термопара типа ТХА Æ 0,2 мм, подключенная к одному из 16 дифференциальных каналов ввода АЦП L-CARD E14–440, передававших данные в ПЭВМ с одновременной записью всех каналов в программе LGraph2.

Изучение процессов электроотпуска проходило на образцах из стали У8А с использование лампового генератора. Электроотпуск проводился при 450 °C, скорость нагрева — 750 °C /с. Обычный отпуск в печи длился в течение часа. Измерение микротвердости осуществлялось на приборе ПМТ-3 при нагрузке в 100 г.

Изменения балла аустенитного зерна после скоростного нагрева с внешним подмагничиванием исследовали на образцах стали 55ПП Æ 18 мм. Нагрев осуществлялся до температуры 450 °C с использованием машинного (скорость нагрева в области фазовых превращений — 8 °C/c) и лампового (90 °C/c) генераторов. Границы аустенитного зерна выявлялись химическим травлением в подогретом до 60 °C однопроцентном растворе пикриновой кислоты с добавлением моющего средства. Строились гистограммы по результатам измерения наибольших из видимых в плоскости шлифа зерен d_j на 20 полях зрения при увеличении × 1000. Средние истинные диаметры зерна вычислялись по формуле:

(2)

где n_j — число измеренных сечений в j-й группе размеров; k — число групп.

Задача исследования процессов ТОМП применительно к скоростному ТВЧ нагреву имеет ряд технических трудностей, связанных с наложением внешнего постоянного магнитного поля вокруг индуктора, в связи с чем был сконструирован специальный электромагнит, имеющий ряд особенностей. Оси кернов максимально приближены к панели высокочастотного генератора, что обусловливает применение сердечника и катушек прямоугольного сечения. Магнитная цепь электромагнита имеет двойное обратное ярмо. Используются водоохлаждаемые конические полюсные наконечники. Сечение кернов относительно ярма увеличено на 130 %, что позволяет снизить его магнитное сопротивление и минимизировать рассеивающий поток. Коническая форма наконечников позволяет добиться увеличения напряженности поля в рабочем воздушном зазоре в 50 мм до 600 кА/м.

Результаты исследования. На основании уравнения (1) были построены теоретические кривые для условий нагрева без поля и с наложением внешнего постоянного магнитного поля (рис. 2). Расчёт проводился для цилиндрического образца диаметром 8 мм из стали с ферритной структурой: ρ = 36 ⋅ 10⁻⁸ Ом⋅м; μ = 1 000 — при температуре 20 °C, μ = 1 — выше точки Кюри; μ = 7 при температуре 20 °C в магнитном поле напряженностью 160 кА/м (с учётом внешнего размагничивающего фактора образца); f = 440 кГц; с допущением, что точка Кюри соответствует безразмерной температуре K_i = 1,13. По внешнему виду кривых можно судить как минимум о большей равномерности процесса нагрева в случае внешнего подмагничивания.

Экспериментальные данные о влиянии внешнего постоянного магнитного поля на индукционный нагрев в поверхностном слое различных материалов были сведены в кинетические диаграммы и показаны на рис. 3.

Доказательством того, что наблюдаемые изменения связаны именно с увеличением глубины проникновения вихревых токов, являются опытные данные, полученные на цилиндрических образцах из стали 45, имеющих разную толщину стенки (1 и 2 мм и сплошной цилиндр Æ 8 мм), их кривые нагрева показаны на рис. 4.

Результаты оценки температурного поля (по шести точкам на разной глубине) в процессе нагрева ТВЧ с внешним подмагничиванием и без него приведены на рис. 5 и 6. На рис. 5 показаны кинетические кривые для перлитного серого чугуна СЧ30, а на рис. 6 — для стали 45.

При нагреве в магнитном поле глубина проникновения вихревых токов не зависит от структуры материала и оказывается в ~10 (для перлитной) и 17 (для ферритной) раз больше, чем при нагреве без поля. Это указывает на возможность реализовать на практике режим закалки с электроотпуском при нагреве от одного генератора, так как без подмагничивания невозможен прогрев всей закалённой зоны. На рис. 7 приведены экспериментальные данные, показывающие распределение микротвердости по сечению образца из стали У8 после закалки, закалки и электроотпуска, закалки и электроотпуска с внешним подмагничиванием, закалки и объемного отпуска.

Углеродистые стали, имеющие пониженную прокаливаемость, могут быть подвергнуты поверхностной закалке ТВЧ [11][12], но для нее характерна малая скорость нагрева в области фазовых превращений, что определяет крупное зерно аустенита (и соответственно уменьшенные показатели механических свойств в поверхностном слое). Получается, что характерные особенности тонкой структуры аустенита, которые обусловлены индукционном нагревом, нивелируются ростом зерна — теряются высокие показатели конструктивной прочности. На рис. 8 приведены результаты исследования балла аустенитного зерна стали 55ПП после скоростного нагрева с внешним подмагничиванием и обычного (медленного) глубинного нагрева.

Обсуждение. Изменения в кинетике нагрева токами высокой частоты наблюдаются при наложении внешнего магнитного поля, напряженность которого достаточна для магнитного насыщения. Такое воздействие приводит к изменению магнитных характеристик обрабатываемой стали, а именно к снижению ее магнитной проницаемости [13]. Данное поведение является естественным для намагничивания на стадии парапроцесса, оно, в свою очередь, вызывает снижение коэффициента k, который обратно пропорционален глубине проникновения вихревых токов, и удельной тепловой мощности. Можно привести аналогию с увеличением глубины проникновения тока в металл при переходе его из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Но имеется физическое различие в природе парамагнитного состояние металла и состояния ферромагнетика, намагниченного в области парапроцесса. Они похожи лишь малыми значениями относительной магнитной проницаемости. Таким образом, наличие внешнего магнитного поля на этапе первого квазистационарного процесса приводит к снижению скорости индукционного нагрева ферромагнитного материала и увеличению глубины его равномерного прогрева.

Магнитная восприимчивость резко падает выше точки Кюри, поэтому внешнее магнитное поле при этих температурах не оказывает влияния на скорость нагрева. При этом благодаря малой разнице в значениях магнитной проницаемости ниже и выше точки Кюри в присутствии внешнего поля на кривой нагрева отсутствует перегиб, характерный для перехода поверхностного слоя в парамагнитное состояние. В полях с большей напряженностью кривая нагрева будет превращаться в прямую линию (с тангенсом угла наклона к оси времени, соответствующему скорости нагрева выше точки Кюри). Сравнение зависимостей на рис. 2 и 3 показывает схожесть общих закономерностей и правомерности ранее сделанных выводов.

Вне зависимости от использованного материала во всех случаях, приведённых на рис. 3, наблюдаются следующие закономерности: на начальном этапе нагрева в случае применения внешнего магнитного поля снижается скорость нагрева вплоть до точки Кюри. При наличии внешнего магнитного поля перепад скорости нагрева вблизи критической точки на диаграмме менее резок. По окончании фазового превращения скорости нагрева с полем и без поля практически сравниваются.

Как можно увидеть на рис. 4, кривые нагрева при обычном ТВЧ нагреве и с наложением внешнего поля сближаются с уменьшением толщины стенки образца вплоть до почти полного их совпадения в случае толщины в 1 мм. Данное явление объясняется тем, что толщина стенки приближается к глубине проникновения вихревых токов без внешнего подмагничивания.

На рис. 5 хорошо видно, что влияние магнитного поля значительно снижает разброс температур вблизи поверхности на первых этапах нагрева, в то время как без применения магнитного поля разброс составляет около 250 °C по всей исследуемой глубине и около 50 °C от поверхности до точки на расстоянии 1 мм. В то же время после достижения точки Кюри характеры распределения температур становятся схожими, при этом наблюдается более резкое снижение температуры на поверхности у образца, обрабатываемого без наложения внешнего поля.

Как можно увидеть на рис. 6, в образце из стали 45 наблюдается аналогичная картина с получением большей равномерности нагрева по сечению при наложении внешнего магнитного поля вплоть до точки Кюри. Когда поверхностный слой образца, нагреваемого в поле, достигает температуры Кюри, глубина проникновения тока в материал изменяется незначительно (кривые 3 и 4), так как при этом не происходит резкого уменьшения магнитной проницаемости. А в образце, который нагревался без поля, после перехода в парамагнитное состояние происходит перераспределение индуктируемой мощности и отвод теплоты от поверхности к сердцевине, что вызывает уменьшение температурного перепада по сечению. В этом случае (кривая 4) характеры распределения температуры оказываются одинаковыми для обоих режимов нагрева, но с сохранением большей равномерности прогрева в случае подмагничивания.

Как показали эксперименты с электроотпуском (рис. 7), без наложения внешнего поля не удается отпустить материал на необходимую глубину: отпуск происходит на глубине до 1 мм при глубине закаленного слоя в три раза больше. В то же время глубина электроотпуска с подмагничиванием выше, что позволяет произвести его на той же установке. При этом твердость, полученная при электроотпуске с подмагничиванием, имеет большие значения, чем после обычного печного отпуска.

Гистограммы распределения размеров зерен аустенита после скоростного с подмагничиванием и обычного глубинного нагрева стали с пониженной прокаливаемостью показывают, что при первом режиме средний диаметр зерна оказывается меньше на 12,96 мкм (рис. 8). Таким образом, проблемы с ростом зерна аустенита, возникающие при индукционном нагреве сталей с пониженной прокаливаемостью, могут быть устранены при использовании внешнего подмагничивания.

Заключение. Результаты исследования свидетельствуют: наложение внешнего магнитного поля при температурах ниже точки Кюри увеличивает глубину проникновения вихревых токов, что, в свою очередь, способствует более равномерному нагреву материала. Это позволяет реализовывать эффекты упрочнения при нагреве с более высокими частотами и устранять недостатки такого нагрева, проявляющиеся без подмагничивания. Наблюдаемые изменения при наличии подмагничивания при нагреве ТВЧ объясняются снижением магнитной проницаемости обрабатываемого материала, которой прямо пропорциональна глубина проникновения вихревых токов. При достижении точки Кюри влияние данного эффекта нивелируется. Было показано, что при наложении внешнего магнитного поля технологически становится возможным проведение скоростного электроотпуска на одном генераторе с получением больших значений твердости, чем при обычном отпуске. Также является целесообразным использование скоростного подмагничивания для поверхностной закалки ТВЧ сталей пониженной прокаливаемости, так как устраняется проблема крупного аустенитного зерна, возникающая при обычном глубинном нагреве.